Boseho-Einsteinov kondenzát

Dáta potvrdzujúce objav nového skupenstva hmoty

Boseho–Einsteinov kondenzát je skupenstvo hmoty zložené z bozónov schladených na teplotu blízku absolútnej nule. Prvý kondenzát vytvorili Eric Allin Cornell a Carl Wieman v roku 1995 na univerzite v Colorade s použitím atómov rubídia schladených na 170 nanokelvinov. V týchto podmienkach veľké časti atómov kolabovali do najnižších kvantových stavov a tak sa prejavili kvantové efekty na makroskopickej úrovni.

Príprava

Obvyklá metóda prípravy Boseho-Einsteinovho kondenzátu pozostáva z dvoch fáz:

• Najprv sa atómy zachytené magneticko-optickou pascou predchladia pomocou laseru. Chladenie pomocou laseru, ale naráža na teplotný limit (typicky asi 100 μK), ktorý zabráňuje ďalšiemu ochladeniu.

• Stredná priemerná rýchlosť takto zchladených atómov je len niekoľko centimetrov za sekundu, čo je dostatočne málo na zachytenie atómov do magnetickej alebo optickej pasce. Následne chladenie pomocou odparovania, to znamená kontinuálne odstráňovanie vysokoenergetických atómov z pasce, zníži teplotu týchto atómov ešte viac. Týmto procesom sa odstráni zvyčajne viac ako 99,9% vysokoenergetických atómov, čím sa zároveň dosiahne teplota rádovo 100 μK.

Týmto spôsobom bola do roku 2004 dosiahnutá Boseho-Einsteinová kondenzácia mnohých izotopov (⁷Li, ²³Na, ⁴¹K, ⁵²Cr, ⁸⁵Rb, ⁸⁷Rb, ¹³³Cs a ¹⁷⁴Yb). V prípade vodíku bola kondenzácia nakoniec dosiahnutá mierne odlišnými spôsobmi.

Vyššie uvedené plyny nie su fermionické, ako by mohlo zdať iba na základe ich elektrónovej štruktúry. Bozonická povaha týchto plynov, čo je zásadný predpoklad tvorby Boseho-Einsteinovho kondenzátu, je založená na jemnej súhre elektrónového a jadrového spinu pri ultranízkych teplotách: Pri dostatočne nízkych energiach je excitačná energia dostatočne nízka a poločíselný celkový spin elektrónového obalu a takisto poločíselný celkový jadrový spin sa pomocou slabej hyperjemnej interakcie navzájom zviažu na celkový celočíselný spin, ktorý zodpovedá bozónom. Naopak, pri izbovej teplote bežnej v chémii, je celkový spin atómu navonok daný iba elektrónovým obalom, pretože tepelné fluktuácie sú väčšie ako energia hyperjemnej interakcie.